Methodenartikel

Opbouwen van een open-source Robotic Stereotaxische Instrument

DOI:

10.3791/51006

⸱

29 oktober 2013

 ,  ,  , 
1Department of Psychology, Rutgers, The State University of New Jersey

In dit artikel

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dit protocol bevat de ontwerpen en software die nodig is om een ​​bestaande stereotaxisch instrument upgraden naar een robot (computer numeriek gestuurde CNC) stereotaxisch instrument voor ongeveer $ 1000 (met uitzondering van een boor).

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dit protocol bevat de ontwerpen en software die nodig is om een ​​bestaande stereotaxisch instrument upgraden naar een robot (CNC) stereotaxisch instrument voor ongeveer $ 1000 (met uitzondering van een boor), met behulp van standaard industrie stappenmotoren en CNC besturingssoftware. Elke as heeft een variabele snelheidsregeling en kunnen gelijktijdig of onafhankelijk worden gebruikt. Flexibiliteit van de robot en open coderingssysteem (G-code) maken het geschikt voor het uitvoeren aangepaste taken die niet worden ondersteund door commerciële systemen. De toepassingen omvatten, maar zijn niet beperkt tot, het boren van gaten, scherpe rand craniotomies, schedel dunner, en het verlagen van elektroden of canule. Teneinde het schrijven van G-codering voor eenvoudige operaties versnellen, hebben wij aangepaste scripts die individuen toestaan ​​om een ​​operatie te ontwerpen zonder kennis van programmeren ontwikkeld. Echter, voor gebruikers om het meeste uit de gemotoriseerde stereotax krijgen, zou het nuttig zijn deskundig in mathematische programmering en G-codering (eenvoudige prog te zijnrammen voor CNC-bewerking).

De aanbevolen boor snelheid is hoger dan 40.000 tpm. De stappenmotor resolutie is 1,8 ° / Step, gericht op 0.346 ° / Step. Een standaard stereotax heeft een resolutie van 2,88 micrometer / stap. De aanbevolen maximale snijsnelheid is 500 micrometer / sec. De maximale aanbevolen jogtoerental is 3500 um / sec. De maximale aanbevolen boor grootte is HP 2.

Inleiding

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Stereotactische chirurgie knaagdier wordt gebruikt in een breed scala van toepassingen neurologie, zoals laesie 1, iontoforese 2, Microwire implantatie 3, 4 stimulatie en dunne schedel beeldvorming 5. Er zijn echter belangrijke hindernissen waarmee degenen die wensen om deze technieken, inclusief de steile leercurve voor het uitvoeren van nauwkeurige stereotactische chirurgie en de hoge kans op menselijke fouten toe te passen. Menselijke fouten zijn meet-en berekeningsfouten, evenals de lage nauwkeurigheid en reproduceerbaarheid van menselijke bewegingen. In een poging om deze storende fouten te verminderen, zou stereotactische chirurgen profiteren van een systeem dat ervoor zorgt dat alle chirurgische procedures identiek uitgevoerd in vakken. De reductie van fouten is een methode waarmee onderzoekers het gebruik van proefdieren, een hoofddoel van de National Institutes of Health voor dierproeven 6 minimaliseren. In een ideale wereld, alle stereotactic operaties zou perfect herhaalbaar binnen experimenten, en tussen laboratoria. Om dit probleem aan te pakken, hebben bedrijven nieuwe ultra-precieze stereotaxics en digitale displays ontwikkeld voor het lezen van metingen. Om menselijke fouten beweging te verwijderen, werden gemotoriseerde micro manipulatoren en stereotaxics commercieel geproduceerd, maar de hoge kosten kunnen onbetaalbaar voor een laboratorium met een beperkt budget. Ook de software is volledig eigendom, en kunnen niet worden gewijzigd door de onderzoeker om een ​​nieuw type operatie tegemoet.

Een betaalbare oplossing voor het menselijke fout probleem is om een ​​robot stereotax bouwen uit bestaande model een laboratorium, met behulp van standaard CNC-apparatuur. Vanwege een groeiende CNC hobbyist gemeenschap, de materialen zijn aanzienlijk goedkoper dan wetenschappelijke apparatuur. Hierdoor kan men een nauwkeurige CNC stereotaxische instrument, dat ook zeer flexibel en goedkoop te bouwen. Met een basiskennis van CNC-bewerkingscentrum en G-Code, individueelALS kan elke stereotactische operatie die zij denken te programmeren, zonder de beperkingen van de eigen software. En, met het oog op de productie van G-code voor eenvoudige operaties te versnellen, dit protocol bevat software waarmee de gebruiker om operaties (scherpe rand craniotomie, dunne schedel window, boren & implantaat verlagen) ontwerpen binnen point and click menu's. Deze programma's uitgang een voltooide g-code die direct kunnen worden uitgevoerd vanaf CNC software.

In alle, een gemotoriseerde stereotaxisch upgrade is ideaal voor degenen die belang hebben bij het verhogen van de nauwkeurigheid en de reproduceerbaarheid van de operaties, met behoud van de flexibiliteit en de lage kosten van een open source platform.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Bedraden de bipolaire stappenmotoren door schroeven de draden in de met de driver board connectoren die meegeleverd zijn. Draad kleuren op bipolaire stappenmotoren zijn gestandaardiseerd (figuur 1).
    Opmerking: De beschreven stappenmotoren hebben een resolutie van 1,8 ° / stap, gericht op 0.346 ° / stap. Een standaard stereotax heeft 3 mm/360 ° van reizen. De uiteindelijke resolutie is 2,88 micrometer / stap. De motoren zijn ook in staat fractionele stappen.
    1. Sluit de groene draad naar A +, sluit de zwarte draad naar A-, sluit de rode draad op de B + en de blauwe draad aan B-.
  2. Schuif de koppelingen over de stappenmotoren, let daarbij goed op de bevestigingsgaten af te stemmen, en zet ze met behulp van 12x M3 inbusschroeven (20 mm) (Figuur 2).
    1. Zorg ervoor dat de koppelingen goed zijn bevestigd aan de motoren.
      Opmerking: De 3D-modellen zijn exclusief discussies. De onderdelen zijn gelabeld met draad grootte, maar ze moeten worden aangeboord nadat ze zijnvervaardigd.
  3. Verwijder de stelschroeven van de duimgrepen op alle 3 assen van de stereotaxische instrument met een kleine inbussleutel. De duimgrepen zijn van schroefdraad, dus zet ze tegen de klok voor verwijdering. Houd de PTFE ringen op zijn plaats op de arm (Figuur 3).
  4. Schroef het draadeind van de kragen op de draadeinden van de armen stereotaxische instrument (figuur 3).
    1. Zorg dat er geen ruimte tussen de kragen en PTFE-O-ringen. Dit garandeert dat de coördinaten worden behouden wanneer de robot van richting verandert.
    2. Beveilig de kragen op de schroefdraad van de stereotaxisch armen met behulp 3x NF10-32 (1/4 inch) grippuntstelschroeven.
    3. Schuif elke motor en koppeling boven de kragen & stereotaxisch armen. Zorg ervoor dat de motoren zitten gelijk met de armen, en de set schroefgaten op de kragen line-up met het vlakke gedeelte van de motor assen (Figuur 4).
    4. Zet de couplers de stereotax behulp van de montagegaten en 6x NF10-32 (1/2 inch) grippuntstelschroeven (figuur 4).
    5. Bevestig de halsbanden om de motor assen met behulp 3x NF10-32 (1/4 inch) stelschroeven (figuur 4).
  5. Bereid de CNC driver board door elk van de controller pinnen om half stepping.
    Opmerking: Deze stappenmotor driver wordt geleverd als een blootgestelde printplaat. Een geval worden gebouwd, hoewel het niet nodig. Ook kan een aantal verschillende bipolaire stappenmotor drivers worden gebruikt. Als dat zo is, ervoor te zorgen dat de installatie-instructies worden gevolgd voor de specifieke board gekocht.
    1. Lijn alle 6 pins per stappenmotor op dezelfde manier. Half-stepping zorgt voor dubbel de stap resolutie in Graden / stap (figuur 5).
    2. Flip pin 1 naar de stand aan, pin 2 naar de stand uit, pin 3 naar de op positietie, pin 4 naar de stand uit, pin 5 naar de stand aan, en pin 6 op de uit-stand (figuur 5).
  6. Steek de motoren (X - Y - Z) in de stappenmotor driver, samen met de 12 V voeding. De correcte plaatsing is aangegeven op de bestuurder. Ook hechten de stepper driver op de seriële poort van een computer met behulp van een DB25cable (Figuur 6).
  7. Installeer CNC frezen software op een personal computer (deze zal moeten worden gevestigd in een chirurgisch gebied) volgens de standaard instructies. Eenmaal geïnstalleerd, opent u de software om de configuratie te beginnen.
    1. Configureer de software voor communicatie met de stappenmotoren.
      Opmerking: De volgende instructies zijn bedoeld voor gebruik met de TB6560 stappenmotor driver.
    2. Klik door de menu's van de software als volgt. Open → Config → Ports and Pins→ uitgangssignalen. Vul de prompt om Figuur 7 passen en druk toe te passen.
    3. Klik door de menu's van de software als volgt. Open → Config → Ports and Pins → ingangssignalen. Vul het prompt tot Figuur 8 passen en druk toe te passen.
    4. Klik door de menu's van de software als volgt. Open → Config → Ports and Pins → Motor uitgangen. Vul de prompt om Figuur 9 passen en druk toe te passen.
    5. Klik door de menu's van de software als volgt. Open → Config → Motor tuning. Vul de prompt om Figuur 10 passen en klik op Opslaan Axis Settings. Herhaal de vorige stap voor alle 3 assen met dezelfde waarden.
  8. Kalibreer de stereotax om de omvang van de CNC-software.
    Opmerking: De software is ontworpen voor standaard freesmachines, zodat zijn maateenheid niet evenredig aan de reis van een stereotaxisch instrument zal zijn.
    1. Stel de snelheid van de motoren 'tot 1 cm per minuut, en "jog" de stereotaxische instrument Z-as met PgUp / PgDn naar de dichtstbijzijnde millimeter.
      Opmerking: De maximale aanbevolen jogtoerental is 3500 micrometer / sec en de aanbevolen maximale snijsnelheid is 500 micrometer / sec.
    2. Zero de Z-as, en Jog de stereotaxische instrument 1 mm. De afgelegde afstand op de Z-as Mach3 is de "Scaling Constant". Machine coördinaten worden bepaald door de schedel coördinaten (mm) te vermenigvuldigen met de "Scaling Constant".
    3. Voer steekproeven van alle 3 de assen door het programmeren ervan om enkele bekende afstanden, en zorgen voor de bewegingen juist zijn. Als de stereotax reis is te ver of kort, dienovereenkomstig aan te passen de schaal constant.
      Opmerking: Eenmaal schaal is afgerond, kan het opgenomen aangepaste scripts worden gebruikt om g-code voor operaties genereren. Echter, is het sterk aanbevolen dat gebruikers die vertrouwd zijn met de g-code te worden voordat u automatisch te genererenoperaties. Dit is noodzakelijk voor het oplossen van problemen en het wijzigen van geautomatiseerde operaties.
  9. Bevestig de micro motor boor aan de stereotaxische instrument met behulp van de extra grote sondehouder. Opmerking: De minimale aanbevolen boor snelheid is 40.000 rpm.
  10. Automatisch genereren van G-code voor een scherpe rand craniotomie met 3 schedel schroefgaten.
    1. Plaats alle aangepaste scripts van de software tafel in een map op een pc.
    2. Open het script "SharpEdgeCraniotomy.m" en voer de code.
    3. Selecteer Beide om de vraag "Welk type van chirurgie wordt u uitvoeren?" (Figuur 11).
    4. Selecteer Aangepast om de hoeken van de schedel venster definiëren. Vul elke prompt om Figuur 12 passen.
    5. Definieer de X-en Y-posities van de craniotomie hoeken. Elke coördinaat moet in de juiste volgorde worden ingevoerd, volgens het voorbeeld in figuur 13 .
    6. Voer 3 in de prompt om 3 schedel gaten (figuur 14) te produceren.
    7. Selecteer Bepaal met behulp van coördinaten en de coördinaten van elk gat van de sjabloon in figuur 15.
      Opmerking: Als precieze coördinaten zijn niet belangrijk, er is een optie om de posities van de gaten 'wijzen en klikken op een afbeelding van een schedel rat. Posities worden automatisch gegenereerd.
    8. Definieer het boren parameters. Voor de eerste tests operatie, accepteert u de standaardwaarden.
      Opmerking: Deze waarden zijn afhankelijk van de stappenmotoren en de schedel van het dier. Elke rat ras en doellocatie heeft een iets ander schedel dikte. Voor de eerste paar operaties gebruik van dit apparaat, zijn bereid om de boordieptes testen en handmatig verwijderen van alle resterende schedel stukken. De waarden kunnen worden aangepast voor toekomstige operaties (figuur 16).
    9. Noem de G-code, wordt deze automatisch gegenereerd en saafgegraven tot de werkmap.
  11. Laad de g-code in het CNC frezen software en een test schedel in het stereotaxisch instrumenten oor bars.
    1. Torn de boor om Bregma met de pijltjestoetsen. Gebruik een lange jog snelheid (~ 5 inch / m) om de nauwkeurigheid te verzekeren.
    2. Start de boorkop roterende groter dan 38.000 tpm.
    3. Druk CycleStart, de stereotax zal vele doorgangen van dezelfde snit uitvoeren, op verschillende dieptes. Tussen elke pass, zal de stereotax pauzeren, zodat de chirurg kan voortzetten of afbreken snijden. Druk op Doorgaan Cycle (Alt-R) om verder te gaan snijden passeert.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Het eindresultaat van de operatie ontworpen in de methoden zal een rat schedel met een scherpe rand craniotomie, en 3 schedel gaten (figuur 17) zijn. Merk op dat de schedel gebruikt om de operatie aan te tonen was veel breder dan de prototypische schedel rat. De scherpe rand craniotomie worden gebruikt om een ​​Microwire matrix in de hersenen, voor hoge dichtheid neurale opnames voegen. De CNC stereotax kan ook worden gebruikt om de array met grote nauwkeurigheid verlagen. Software is in dit protocol ka...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Het gebruik van automatische chirurgie apparatuur helpt om een ​​aantal van de meest voorkomende problemen in neurowetenschappelijk onderzoek te elimineren. Ten eerste, het gereedschap paden zijn 100% reproduceerbaar. Elke snede wordt gegarandeerd dezelfde locatie ten opzichte van Bregma. Anderzijds moeten experimentator fouten te verminderen. Hoewel veel onderzoekers zijn zeer ervaren chirurgen, duurt het een uitzonderlijke hoeveelheid van de praktijk om nog een competente chirurg geworden. Dit apparaat zal toelaten ni...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De auteurs hebben geen concurrerende financiële belangen openbaar te maken.

Dankbetuigingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Deze studie werd ondersteund door het National Institute on Drug Abuse Grants DA 006.886, en DA 032.270.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
1x Standard U Frame StereotaxKopfKopfDit protocol zou moeten werken met de meeste bestaande stereotaxische apparaten.
3x 12 V, 1.6 A, 233 oz-inch Geared Bipolar Stepper MotorPhidgetsRobot ShopElke hoogkoppel getande stapmotor zou het moeten doen. 
1x 3 Axis CNC Stepper Motor Driver Board ControllerToshibaEbayElke 3 Axis CNC driver zou het moeten doen. Gelinkt item bevat Mach3 CNC software. 
2x Armkoppelingen: mediaal-lateraal (ML) & dorsal-ventraal (DV)op maat gemaaktOnderdelentekeningenDeze moeten worden gemaakt door uw lokale machinewerkplaats. (kosten variëren)
1x anterior-posterior (AP) koppelingop maat gemaaktOnderdelentekeningenDeze moeten worden gemaakt door uw lokale machinewerkplaats. (kosten variëren)
3x Motor naar Stereotax halsbandop maat gemaaktOnderdelentekeningenDeze moeten worden gemaakt door uw lokale machinewerkplaats. (kosten variëren)
Bekijk in browser
12x NF10-32 Cup Point Set schroevenMcMaster Carr½” LengteJe hebt er 6 van elk nodig.
¼” Lengte
12x M3 koppenverstevigingsschroeven (20 mm)McMaster Carr20mm LengteJe hebt er 4 nodig voor elke motor
1x Micro-Motor boor Buffalo DentalX50Elke Micromotor boor zal werken.  Minimaal 38.000 rpm aanbevolen
1x 12 V DC voeding12 Volt adapters12v DC – 7 AmpElke 12 V DC PSU zou moeten werken (zorg ervoor dat het stroomvermogen hoger is dan de som van het stroomvermogen van de motoren).
1x Extra grote sondehouderStoeltingStoelting
1x Grade B RattenschedelSkulls UnlimitedSkulls Unlimited
Mach 3 frezenArtSoft USAProefdownloadElke standaard CNC besturingssoftware zou moeten werken.
Chirurg DesignerKevin Coffey David BarkerMATLAB File ExchangeDeze codes zijn beschikbaar om te wijzigen. We aanvaarden geen verantwoordelijkheid voor uw gebruik of wijziging van code.

Referenties

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Yin, H. H., Knowlton, B. J., Balleine, B. W. Lesions of dorsolateral striatum preserve outcome expectancy but disrupt habit formation in instrumental learning. Eur. J. Neurosci. 19 (1), 181-189 (2004).
  2. West, M. O., Woodward, D. J. A technique for microiontophoretic study of single neurons in the freely moving rat. J. Neurosci. Methods. 11 (3), 179-186 (1984).
  3. Peoples, L. L., West, M. O. Phasic firing of single neurons in the rat nucleus accumbens correlated with the timing of intravenous cocaine self-administration. J. Neurosci. 16 (10), 3459-3473 (1996).
  4. Wolske, M., Rompre, P. P., Wise, R. A., West, M. O. Activation of single neurons in the rat nucleus accumbens during self-stimulation of the ventral tegmental area. J. Neurosci. 13 (1), 1-12 (1993).
  5. Bozza, T., McGann, J. P., Mombaerts, P., &Wachowiak, M. In vivo imaging of neuronal activity by targeted expression of a genetically encoded probe in the mouse. Neuron. 42 (1), 9-21 (2004).
  6. Pitts, M. Office of Laboratory Animal Welfare. Institutional animal care and use committee guidebook. , (2002).
  7. Yoon, T., Otto, T. Differential contributions of dorsal vs. ventral hippocampus to auditory trace fear conditioning. Neurobiol. Learn. Mem. 87 (4), 464-475 (2007).
  8. Root, D. H., et al. Differential roles of ventral pallidum subregions during cocaine self-administration behaviors. J. Comp. Neurol. 521 (3), 558-588 (2012).
  9. Yang, G., Pan, F., Parkhurst, C. N., Grutzendler, J., Gan, W. B. Thinned-skull cranial window technique for long-term imaging of the cortex in live mice. Nat. Protoc. 5 (2), 201-208 (2010).
  10. Feng, L., Sametsky, E. A., Gusev, A. G., Uteshev, V. V. Responsiveness to nicotine of neurons of the caudal nucleus of the solitary tract correlates with the neuronal projection target. J. Neurophysiol. 108 (7), 1884-1894 (2012).
  11. Babaei, P., Soltani Tehrani,, B,, Alizadeh, A. Transplanted Bone Marrow Mesenchymal Stem Cells Improve Memory in Rat Models of Alzheimer's Disease. Stem Cells Int. 2012, 369417(2012).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

CNC stereotaxische upgradeopensource neurochirurgiestappenmotorbesturingG codegeneratiestereotaxische kalibratieautomatisering van craniotomieneurochirurgie bij knaagdierengemotoriseerde stereotaxisCNC freessoftware

Gerelateerde artikelen